钛合金研究新进展及应用现状

钛合金研究新进展及应用现状
摘要：综述了钛合金的发展历程及当今的研究应用新进展，并对我国钛合金的应用前景做出展望。

关键词：钛合金；发展；研究；应用
1 钛合金的发展历程
钛是20 世纪50 年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。

世界上许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行了研究开发，得到了实际应用[1~3]。

美国钛工业起步较早，其规模和技术目前都处在世界领先地位，一开始就注重钛合金材料的基础研究，并以此指导钛合金材料的应用和开发，取得了举世瞩目的成就。

第一个实用的钛合金就是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V 合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75%～85%。

20 世纪50～60 年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70 年代开发出一批耐蚀钛合金，80 年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。

耐热钛合金的使用温度已从50 年代的400 ℃提高到90 年代的600～650℃。

α2 (Ti3Al)和γ（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。

结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容
限方向发展。

目前，美国航空航天用钛量最大，在20世纪80 年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中，钛合金的用量已稳定在20%以上[4,5]。

2 钛合金的研究新进展
近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。

国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面[6]。

2.1 高温钛合金
世界上第一个研制成功的高温钛合金使用温度仅为300~350 ℃。

随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550，BT3-1 等合金，以及使用温度为450~500 ℃的IMI679，IMI685，Ti-6246，Ti-6242 等合金。

目前已成功的应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有英国的IMI829，IMI 834 合金；美国的Ti-1100 合金；俄罗斯的BT18Y，BT36 合金等。

近几年外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650 ℃以上。

美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术成功研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760 ℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度[7]。

2.2 钛铝化合物为基的钛合金
与一般钛合金相比，钛铝化合物为基的Ti3Al（α2）和TiAl（γ）金属间化合物的最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816 ℃和982 ℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和质量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2），这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。

目前，已有两个Ti3Al 为基的钛合金Ti-21Nb-14Al 和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo 在美国开始批量生产，前
者已用作高压压气机机闸、高压涡轮支撑环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片等，后者__通过形变热处理可获得良好的强度和塑性。

2.3 高强高韧β型钛合金
β型钛合金最早是20 世纪50 年代中期由美国Crucible 公司研制出的
B120VCA 合金。

β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的力学性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。

新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种：Ti1023 是为适应损伤容限设计原则而研制的具有高的结构效益、可靠性、低成本的可锻钛合金。

该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA 高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能，目前已在波音757，737，A300，A320，F14，F18 上得到应用[8]。

Ti153 合金冷加工性能比工业纯钛还好，可在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成型，时效后的室温抗拉强度可达1000 MPa 以上，目前已用于飞机短舱、紧固件、液压管、弹簧、直升机旋翼等。

β21S 合金是由美国钛金属公司Timet 分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，其应用范围也非常广泛。

2.4 阻燃钛合金
常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。

针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。

美国研制出的Alloy C（也称为Ti-1720），名义成分为Ti-35V-15Cr，是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，具有较高的室温及高温强度、良好的室温及高温塑性、良好的抗蠕变和疲劳性能，可制成板材、带材、棒材及锻件，目前己用于F119 发动机。

BTT-1和BTT-3 为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al 系合金，具有相当
好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件。

3 钛合金在主要领域的发展及应用
3.1 钛合金在军事工业上的发展及应用
钛是20 世纪50 年代发展起来的一种重要的结构金属，其最早的应用，就是为军事航空工业提供高性能材料。

随着各国军事工业的发展，钛的应用领域被不断拓宽。

至今，钛已在航空航天、核能、舰船、兵器等诸多领域获得越来越多的应用，成为重要的战略金属材料。

其应用水平也成为衡量一个国家武器装备先进程度，反映一个国家的军事水平和军事实力的重要指标[9]。

钛在军事工业上使用，主要是基于钛及钛合金具有的优异性能：质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀性好，另外可与复合材料结构匹配。

除上述特性外，钛还具有高韧性、高弹性、无磁等诸多优点。

这些都为钛在军事工业中的应用提供了可选择的条件。

3.1.1 钛合金在飞机上的应用
钛合金是当代飞机和发射机的主要结构材料之一，美国在20 世纪80 年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中，钛的用量已在20%以上。

如第3 代
F-15 战斗机的钛合金用量占27%，而第4代F-22 战斗机的钛合金用量占41%。

F-22 战斗机是美国洛克西德公司、波音公司和通用动力公司设计的战术战斗机，是目前世界上具有代表性的第4代战斗机。

它首次将隐身、高机动性和敏捷性、不加力超音速巡航等特性融于一体，将作为美国空军2000 年以后的主力制空机种。

F-22 的发动机上还采用了美国新发展的阻燃钛合金Alloy C，E，用于高压压气机机匣、加力燃烧室筒体及尾喷管上。

在舰载飞机F/A-18 中，钛合金主要用于飞机的承力框纵梁、翼根和尾部结构等关键部位。

所用钛合金主要有
Ti-6Al-4V 和Ti-15-3(Ti-15Mo-3Al-3Sn-3Cr)。

机身和机翼接头均采用β退火的
Ti-6Al-4V，而制动器扭力管用Ti-6Al-4V 铸件。

另外，为降低成本，提高材料利用率，在着陆拦阻钩支架接头及发动机安装架还采用了热等静压的Ti-6Al-4V 粉冶金制造。

其他如联合攻击战斗机（JSF）是一种低成本、多用途战术攻击战斗机，将取代美国空军现役的F-16C 和A-10、海军的F/A-18E/F、海军陆战队的
F/A-18 和AV-8B 等机型。

V-22 是美国贝尔直升机公司为海军陆战队研制的运输型倾转旋翼机，具有直升机能垂直起降、悬停等优点，又增强了固定翼飞机高速飞行与远航的优点。

V-22 倾转悬翼机是能与喷气发动机或直升机相媲美的技术。

其中风档密封框架、发动机短舱主结构、主防火墙等使用了钛合金，而作为转子系统、发动机主要支承件的传动接头，则由Howmet 公司用一个整体钛铸件取代了原有的43 个元件和536 个紧固件。

3.1.2 钛合金在舰船上的应用
钛在地壳中的储存量极其丰富，其密度低而比强度高，又具有优异的耐腐蚀性，耐热耐低温性能良好。

钛有很强的耐酸碱腐蚀能力，在海水中浸5年不锈蚀，钢铁在海水中则会腐蚀变质[10~12]。

用钛合金为船只制造外壳，海水无法腐蚀它，制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。

同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监测作用。

一般钢铁潜艇下潜超过300 m 就容易被水压压坏。

钛潜艇下潜深度超过300 m 不但不会被压坏，还能有效的避开深水炸弹的攻击，显示了“钛潜艇”的独特魅力和优异性能。

目前钛是深海领域舰船用材不可替代的材料。

俄罗斯早在1968 年便成功制造出全钛潜艇，从20 世纪60 年代中期开始，俄罗斯先后生产了6～7 艘双层高压壳“阿尔法”级全钛潜艇，每艘潜艇用钛达3000 t。

“阿尔法”攻击潜艇由于采用了先进的钛合金为壳体材料，最大潜深高达900 m。

另外如“鲨鱼”级核潜艇、
多用途的945 型及988 型核潜艇等，其水下排水量大，水下航速快，极限潜水深度可达800 m，其耐压壳体就是用钛合金建造。

钛合金目前也广泛应用在鱼雷发射水缸、鱼雷发射高压气瓶、危机冷却器上，用钛合金制作的泵、阀、管子、螺旋桨等，使用效果良好，使用寿命大大延长。

3.2 钛合金在生物医学上的应用
生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能、具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。

近10 多年以来，生物医用材料及制品的市场增长率一直保持在20%~25%左右，预计未来10~15年内，包括生物医用材料在内的医疗器械产业将达到医药制品市场规模，成为21 世纪世界经济的支柱产业。

钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料。

钛及其合金凭借优良的综合性能，成为人工关节（髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等）、骨创伤用品（髓内钉、托板、螺钉等）、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植入产品的首选材料。

目前，还没有比钛合金更好的金属材料用于临床。

发达国家和世界知名体内植入物产品供应商都非常重视钛合金的研发工作，推出了一系列新的医用钛合金材料，包括具有生物活性的钛合金仿生材料，在医用钛合金材料的表面处理方面也做了很多专利性的设计与开发，赋予医用钛合金材料更好的生物活性以满足人体的生理需要，从而达到使患者早日康复的目的。

世界人口近65 亿，据不完全统计伤残者接近4亿，肢体伤残者6000 万，牙病患者20 亿，目前生物材料器件植入者仅有3500 万人，每年关节置换量约150 万例，与实际需要置换者的数量相差甚远。

因此，生物医用材料市场需求潜力巨
大。

而作为生物医用金属材料的首选——钛及其合金需求也将大增，因此加大医用钛合金材料的研发力度势在必行。

3.3 钛合金在民用领域的应用
3.3.1钛合金在汽车行业的应用
钛制品应用势头发展迅猛的另一行业是汽车业。

目前，汽车发动机气门、连杆、曲轴、排气管、悬簧、消音器、车体和紧固件等，都用上了钛或钛合金[13]。

比如气门，用上新近开发的钛铝合金后，可以大大改善发动机性能，比过去用的镍基合金相对密度小，抗蠕变强度大，具有更好的耐磨性。

随着钛产品进一步开发和应用，钛制零部件对提高汽车性能、档次、舒适性等将发挥越来越大的作用。

特别是中高档轿车，对安全性、舒适性和长寿命的要求越来越高，给钛在汽车工业中的应用提供了巨大发展机遇。

3.3.2 钛合金在体育行业的应用
钛在体育用品中的应用，从最早的网球拍、羽毛球拍到最近几年广泛使用的高尔夫球头、杆以及赛车等，使人们对钛的认识提高了一大步。

钛合金高尔夫球杆、球头市场在经历了前几年的大幅调整后，目前仍是钛民用领域的一大支柱，美国在高尔夫球等民用品方面的用钛量增长很快。

随着钛合金高尔夫球杆球头市场的逐渐复苏，今后世界钛高尔夫市场的竞争也将从原来的价格和质量竞争，向服务和差别化方向发展。

另外，现在最常在市场出售的钛制品是网球球拍。

目前，钛在网球拍上，主要是将以纯钛制的网埋入球拍框架内的方式来使用钛材。

最近，钛在利用其回弹力增强击球效果等新用途上备受关注。

登山用具和滑雪板登山用具向着比较容易携带，即轻量化、小型化的方向发展。

具有比重轻、比强度大、在低温下冲击值不降低等特性的钛，作为优越的登山用具材料，已广泛使用。

钛
制体育用品还有：击剑防护面罩、宝剑、冰刀、钓鱼杆、钓鱼用绕线架、赛艇用零部件、滑雪杖、雪铲、登山冰杖、登山钉、田径跑鞋用的注射成型Ti-Fe 系鞋底钉等等。

4 钛合金在我国的应用前景
近年，随着我国国民经济的持续快速发展，人民生活水平不断提高，钛和钛合金材料逐渐进入了民用领域。

由钛及钛合金板、管、带、丝、箔、饼、环等加工材和多种金属复合材制成的钛产品，在医疗、体育及眼镜、手表、洗衣机等日用消费品领域得到应用，受到市场的青睐，未来的市场十分巨大。

目前，世界上能进行钛工业生产的只有美国、俄罗斯、日本、中国和欧洲的少数国家。

而我国具有钛资源的优势，在全球，我国的钛资源占各国之首位。

据统计，我国已探明拥有8.7 亿吨的资源储量，是世界已探明储量的60%左右。

所以，发展钛材制品在我国有着得天独厚的有利条件。

特别是近10 年来，我国经济的高速发展，人们对物质消费的需求向高档次发展，钛及钛合金开始由航天、航空、国防军工领域逐渐进入到民用消费领域。

诸如体育休闲业的钛高尔夫球杆以及钛眼镜架、钛手表、钛自行车等产品，对钛的需求在不断增大。

据悉，仅制作高尔夫球头及球杆所消耗的钛已超过1000 t。

此外，钛材及钛合金制品在建筑领域的应用也在逐渐扩大。

国家大剧院屋顶采用钛-不锈钢复合板,将覆盖的面积达30 000 m2，这是我国建筑领域首次应用钛材，开创了建筑领域的先河，由此必将带动我国建筑市场钛材的应用。

由于民用领域对钛的需求逐年增长，使我国的钛工业得到较快发展。

目前，研制的钛合金已达50多种，列入国家标准的钛和钛合金牌号近30 个。

一批新型钛合金，其综合性能达到国际同类合金的领先水平，填补了国内空白。

我国已经成为世界上继美国、俄罗斯、日本之后，具有完整工业体系和生产能力
的世界第4 大钛工业国。

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